DE2711694A1 - PROCESS FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF ELECTROCHEMICAL SYSTEMS, ELECTROCHEMICAL CELL AND BATTERY WORKING IN ACCORDANCE WITH THIS PROCESS AND LIQUID COMPLEX USED FOR IT - Google Patents
PROCESS FOR IMPROVING THE PERFORMANCE OF ELECTROCHEMICAL SYSTEMS, ELECTROCHEMICAL CELL AND BATTERY WORKING IN ACCORDANCE WITH THIS PROCESS AND LIQUID COMPLEX USED FOR ITInfo
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- DE2711694A1 DE2711694A1 DE19772711694 DE2711694A DE2711694A1 DE 2711694 A1 DE2711694 A1 DE 2711694A1 DE 19772711694 DE19772711694 DE 19772711694 DE 2711694 A DE2711694 A DE 2711694A DE 2711694 A1 DE2711694 A1 DE 2711694A1
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Description
Cambridge, Massachusetts 02138, V. St. A.Cambridge, Massachusetts 02138, V. St. A.
Verfahren zur Verbesserung der T.eistunesfähirkeit von elektrochemischen Systemen, nach diesem Verfahren arbeitende elektrochemische Zelle und Batterie νν\ά daHir verwe^K^i-er flü-S j f. pt Komnl exProcess to improve the ability to tune electrochemical systems, electrochemical cell and battery working according to this process νν \ ά daHir verwe ^ K ^ i-er flü-S j f. Pt Komnl ex
Die Erfindung betrifft Verbindungen, die zur Halogenkomplexbildung verwendbar sind, und insbesondere Verbindungen, die als ein Elektrolytzusatz für elektrochemische Zellen und Batterien, in welchen ein Halogen als elektrochemisch aktives Mittel benutzt wird, verwendbar sind.The invention relates to compounds which are used to form halogen complexes are usable, and in particular compounds that are used as an electrolyte additive for electrochemical Cells and batteries in which a halogen is considered electrochemical active agent is used.
Voltasche Zellen, welche eine wässerige Lösung von Zinkoder Cadmiumhalogenid als Elektrolyten enthalten, sind zwar bekannt, sie sind aber häufig durch eine relativVoltaic cells, which are an aqueous solution of zinc or Cadmium halide as an electrolyte are included although known, they are often due to a relative
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hohe Selbstentladungsgeschwindigkeit, eine niedrige Kanazität und einen hohen Innenwiderstand gekennzeichnet. Da elementares Halogen in dem wässerigen FLektrolyten löslich ist, ist es schwierig, metallisches Zink oder Cadmium und elementares Halogen voneinander getrennt zu halten und gleichzeitig ein Svstem zu schaffen, in welchem ein annehmbarer Prozentsatz der theoretischen Energiespeicherungskapazität realisiert werden kann.characterized by a high rate of self-discharge, a low capacitance and a high internal resistance. As elemental halogen in the aqueous electrolyte is soluble, it is difficult to separate metallic zinc or cadmium and elemental halogen to maintain and at the same time to create a system in which an acceptable percentage of the theoretical Energy storage capacity can be realized.
Tn jüngerer Zeit sind verschiedene Versuche unternommen worden, um elementares Halogen daran zu hindern, zu der Zink- oder Cadmiumelektrode zu wandern. Beispielsweise beschreibt die US-PS 3 352 720 die Verwendung von wasserunlöslichen, polymeren Amin-llalogenkomplexen anstelle des elementaren Halogens. Diese bekannten Strukturen arbeiten zwar als Halogenzellen, wegen der geringen Stabilität der benutzten Polyhalogene mangelt es ihnen aber trotzdem an optimalen Kapazitäten und Selbstentladungsgeschwindigkeiten. Various attempts have recently been made to prevent elemental halogen from migrating to the zinc or cadmium electrode. For example US Pat. No. 3,352,720 describes the use of water-insoluble, polymeric amine-llalogen complexes in place of the elemental halogen. These known structures work as halogen cells because of their poor stability However, the polyhalogens used still lack optimal capacities and self-discharge speeds.
Die US-PS 3 816 177 beschreibt die Verwendung von löslichen quatemären Ammoniurnhalogeniden und dgl., die in dem Elektrolyten zusammen mit einem wasserlöslichen Depolarisator gelöst werden können. Wenn elementares Halogen in den Elektrolyten hinein freigesetzt wird, vereinigt es sich mit dem quatemären Halogenid und bildet ein quaternäres Polyhalogenid, welches mit dem Depolarisator komplexiert und einen unlöslichen, halogenreichen, ölar-U.S. Patent 3,816,177 describes the use of soluble quaternary ammonium halides and the like disclosed in U.S. Patent No. 3,816,177 the electrolyte can be dissolved together with a water-soluble depolarizer. When elemental halogen is released into the electrolyte, it combines with the quaternary halide to form a quaternary Polyhalide, which complexes with the depolarizer and forms an insoluble, halogen-rich, oil-poor
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tigen Komplex bildet. Wenn eine inerte Elektrode, die aus einem Material besteht, welches den unlöslichen Komplex absorbiert, verwendet wird, wird eine verbesserte Zelle geschaffen, da der Komplex relativ stabil ist und da die Halogenmoleküle, die um den Stromsammler herum konzentriert sind, in einem besseren Ausmaß für die elektrochemische Reaktion verfügbar sind.term complex forms. When an inert electrode, which consists of a material that absorbs the insoluble When the complex is absorbed, an improved cell is created because the complex is relatively stable and there are the halogen molecules around the current collector are concentrated around, are available to a greater extent for the electrochemical reaction.
Noch eine weitere Verbesserung der elektrochemischen Halogenzellen ist in der US-Patentanmeldung SN 652 bereits vorgeschlagen worden. Die in dieser Anmeldung vorgeschlagene Struktur ist eine neue Elektrode, die ein stromsammelndes Grundmaterial enthält, das ein äußerst stabiles Polymer enthaltende quaternäre Ammonium-, Phosphonium- oder Sulfoniumstel len in sein Gefiige eingebaut hat. Da das Polymer in Gegenwart eines porösen StromsammeIgrundmaterials mit einer großen Oberfläche gebildet wird, sind die Elektroden in der Lage,HaLogone in rinrtn ni cht chomi sch aktiven, nbor o] cVt roch'-m i r.i h -,ehr aktiven Zustand derart zu speichern, daß zwischen don halogenreichen Stellen des Polymers und dem Stromsammler ein gleichmäßiger, inniger elektrischer Kontakt aufrechterhalten und eine Wechselwirkung zwischen dem Halogenid in dem Elektrolyten und den quaternären Stellen sehr erleichtert wird.A further improvement in the electrochemical halogen cells has already been proposed in US patent application SN 652. The structure proposed in this application is a new electrode which contains a current-collecting base material which has incorporated into its structure an extremely stable polymer-containing quaternary ammonium, phosphonium or sulfonium sites. Since the polymer is formed in the presence of a porous current collecting base material with a large surface area, the electrodes are able to store halogons in a non-chemically active, nbor o] cVt smell'-mi ri h -, rather active state in such a way that that uniform, intimate electrical contact is maintained between the halogen-rich sites of the polymer and the current collector and that interaction between the halide in the electrolyte and the quaternary sites is greatly facilitated.
Die Erfindung schafft eine weitere Verbesserung auf dem Gebiet der Halogenzellen und schafft eine große Anzahl von Verbindungen, von denen jede dem Elektrolyten derThe invention provides a further improvement in the field of halogen cells and provides a large number of compounds, each of which is the electrolyte of the
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Halogenzellen der beschriebenen Art zugesetzt werden kann. Die Verbindungen nach der Erfindung eliminieren die Notwendigkeit eines Dopolnrisators oder einer spezialangefertigten Elektrode und schaffen trotzdem ein grösseres Halogenkomplexbildungsvermögen und steigern die Lagerfähigkeit und die Kapazität der Zellen und Batterien, in denen sie benutzt werden. Halogen cells of the type described can be added. The compounds of the invention eliminate the need for a dipole riser or custom made electrode while still providing greater halogen complexing ability and increasing the shelf life and capacity of the cells and batteries in which they are used.
Allgemein schafft die Erfindung Verbindungen, die als Zusätze zu dem Elektrolyten von Ilalogenzellen und Batterien zur Halogenkomplexbildung verwendbar sind. Der Zusatz wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus Verbindungen mit folgender Strukturformel besteht:In general, the invention provides compounds which can be used as additives to the electrolyte of analog cells and batteries for halogen complex formation. The addition is selected from the group consisting of compounds with the following structural formula:
Linear (R-X-R* OnZ Z(-R-X-R'-)nZ* Zl(-R-X-Rt-)nZ(-R-X-R'-)n,Z(-R-X-R'-)n„Zl Linear (RXR * O n ZZ (-RX-R'-) n Z * Z l (-RXR t -) n Z (-RX-R'-) n , Z (-RX-R'-) n "Z l
ZK-R-X-R'-) Z' 1 , und η m ZK-RX-R'-) Z '1, and η m
CycCyc Lisch [(-R-X-R1-) Z] Lisch [(-RXR 1 -) Z]
wobei RiIt: R kann gleich R1 sein, Z kann Z1 sein, R und R' sind aliphatische Gruppen, die 1 bis 8 Kohlenstoffatome enthalten, n, n1 und n'' sind Zahlen von 1 bis 100, where RiIt: R can be R 1 , Z can be Z 1 , R and R 'are aliphatic groups containing 1 to 8 carbon atoms, n, n 1 and n''are numbers from 1 to 100,
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m ist eine Zahl von 1 bis 6, Z und Z' werden aus der großen Anzahl von Gruppen ausgewählt, die den Halogenkomplex des Zusatzes bei 30 C nicht kristallin machen, und X ist ein Sauerstoffatom, H-C-OR'1 oder R'''-C-OR", wobei P" und R1'1 aliphatische Gruppen sind, die 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthalten. Z und Z1 können beispielsweise Alkyle, Amide, Carbocyclen, Carboxylate, Halogenkohlenwasserstoffe, Halogenide, Wasserstoff, Phosphonate, Siloxane, Sulfonate, Sulfone und Sultone sein. Z und Z' können außerdem unter den mit Halogen Komplexe bildenden funktioneilen Bestandteilen ausgewählt werden, wie beispielsweise Ammoniums, Ammoniumhydrohaiogenide, Amidimidine, Aminoxide, Betaine, Ester, Hydroxyle, Nitrile, Phosphobetaine, Phosphoniums, Pyridiniums, Pyridyle, quaternäre Ammoniums, quaternäre O-Alkylhydroxylammoniums, Sulfobetaine, Sulfoniums, Sydnone, tertiäre Amine, tertiäre Aminhydrohalogenide und Kombinationen derselben. Die Verbindungen nach der Erfindung bilden, wenn sie mit einem oder mehreren Moläquivalenten Halogen kombiniert sind, eine halogenreiche Flüssigkeit, die in wässerigen MetallhalogenidLösungen bei 30 C im wesentlichen unlöslich ist und die bei Bedarf zum Betreiben von gewissen Brennstoffzellen benutzt werden kann.m is a number from 1 to 6, Z and Z 'are selected from the large number of groups that make the halogen complex of the additive non-crystalline at 30 C, and X is an oxygen atom, HC-OR' 1 or R ''' -C-OR ", where P" and R 1 ' 1 are aliphatic groups containing 1 to 6 carbon atoms. Z and Z 1 can be, for example, alkyls, amides, carbocycles, carboxylates, halogenated hydrocarbons, halides, hydrogen, phosphonates, siloxanes, sulfonates, sulfones and sultones. Z and Z 'can also be selected from the functional constituents which form complexes with halogen, such as, for example, ammonium, ammonium hydrohalides, amididines, amine oxides, betaines, esters, hydroxyls, nitriles, phosphobetaines, phosphoniums, pyridiniums, pyridyls, quaternary ammonium, quaternary O-alkylhydroxylammonium , Sulfobetaines, sulfoniums, sydnones, tertiary amines, tertiary amine hydrohalides, and combinations thereof. The compounds according to the invention, when combined with one or more molar equivalents of halogen, form a halogen-rich liquid which is essentially insoluble in aqueous metal halide solutions at 30 ° C. and which can be used, if necessary, to operate certain fuel cells.
Die Erfindung schafft somit einen Halogenkomplexe bildenden Äther, der als ein Elektrolytzusatz für Zellen und Batterien der beschriebenen Art verwendbar ist und durch Komplexieren von elementarem Halogen in dem Elektrolyten in der Lage ist, die Leistungsfähigkeit von elektroche-The invention thus provides a halogen complex-forming ether which can be used as an electrolyte additive for cells and Batteries of the type described can be used and by complexing elemental halogen in the electrolyte is able to improve the performance of electro-
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mischen Systemen, in denen Halogen benutzt wird, stark zu verbessern.mix systems in which halogen is used to improve greatly.
Weiter schafft die Erfindung eine große Anzahl von Verbindungen, von denen jede Zink- oder Cadmiumhaiogenid-Elektrolyten zugesetzt werden kann, um Halogene wirksamer als die oben erwähnten polymeren Aminhaloeenkomplexe und die quaternären Ammoniumpolyhaiogenid-Depolarisatorsysteme zu komplexieren und festzuhalten und dadurch die Lagerfähige Lt zu steieern und die Selbstentladung der primären und sekundären Zellen und Batterien, in welchen die KomnlexbilduncsverbLndung benutzt wird, zu verringern.Furthermore, the invention creates a large number of connections, any of which can be added to zinc or cadmium halide electrolytes to make halogens more effective than the above-mentioned amine haloene polymeric complexes and to complex and hold the quaternary ammonium polyhalide depolarizer systems and thereby increasing the storable Lt and the self-discharge the primary and secondary cells and batteries in which the complex formation connection is used, to reduce.
Weiter schafft die Erfindung eine Verbindung, die in der Lage ist, Halogenkomplexe in einer elektrochemischen Zelle oder Batterie zu schaffen, die die Notwendigkeit des Zusetzens eines Depolarisators zu dem elektrochemischen System beseitigt.The invention further provides a compound which is capable of forming halogen complexes in an electrochemical cell or to create battery that eliminates the need of adding a depolarizer to the electrochemical System eliminated.
Ferner schafft die Erfindung Verbindungen, die, wenn sie mit einem oder mehreren Moläquivalenten von Halogen für jedes Sauerstoffatom in den Verbindungen komplexiert sind, unlösliche Flüssigkeiten in wässerigen Metallhalogenidlösungen bilden , wenn sie auf 30 C gehalten werden, und die aus dem wässerigen Elektrolyten ausgeschieden werden, um eine Quelle für Halogen zu schaffen, die in einer Halogenzelle oder Batterie benutzt werden kann.The invention also provides compounds which, when combined with one or more molar equivalents of halogen for every oxygen atom in the compounds are complexed, form insoluble liquids in aqueous metal halide solutions when kept at 30 C, and which are excreted from the aqueous electrolyte to provide a source of halogen to be contained in a halogen cell or battery can be used.
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Weiter schafft die Erfindung Verbindungen, die wenn sie mit einem oder mehreren Moläquivalenten von Halogen komplexiert sind und unter 30 C gehalten werden, zweckmäßige leitende Flüssigkeiten bilden und deshalb den Halogenen gestatten, an der Elektrode einer Halogenzelle oder Batterie mit einer vernünftigen Geschwindigkeit eine elektrochemische Reduktion zu erfahren.The invention further provides compounds which, when combined with one or more molar equivalents of halogen are complexed and kept below 30 C, form suitable conductive liquids and therefore the Halogens allow them to stick to the electrode of a halogen cell or battery at a reasonable rate to experience an electrochemical reduction.
Weiter schafft die Erfindung eine große Anzahl von Verbindungen, die keine kristallinen Zinkate bilden, wenn sie in wässerige Zinkhalogenidlösungen gebracht werden.The invention further provides a large number of compounds which do not form crystalline zincates when they are placed in aqueous zinc halide solutions.
Schließlich schafft die Erfindung Verbindungen, die, wenn sie mit einem oder mehreren Moläquivalenten von Halogen für jedes Sauerstoffatom in den Verbindungen komplexiert werden, Flüssigkeiten bilden, die bei 30 C gepumpt und unbegrenzt gelagert werden können, wodurch sie für die Verwendung in einer regenerativen Brennstoffzelle oder Batterie zum Speichern von Brom geeignet sind und die Kohlenstoffelektroden oder die meisten durch Halogen angreifbaren Kunststoffe nicht verändern.Finally, the invention provides compounds which, when complexed with one or more molar equivalents of halogen for each oxygen atom in the compounds, form liquids that can be pumped at 30 C and stored indefinitely, making them suitable for use in a regenerative fuel cell or Batteries are suitable for storing bromine and do not alter the carbon electrodes or most plastics that can be attacked by halogen.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Several embodiments of the invention are described below with reference to the accompanying drawings described in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Querschnittansicht einer Zelle,Fig. 1 is a cross-sectional view of a cell,
in welcher die Komplexbildungsverbindungen nach der Erfindung verwendbarin which the complexing compounds according to the invention can be used
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sind,are,
Fig. 2 in einem Diagramm die Spannung, aufgeFig. 2 in a diagram, the voltage, up
tragen über Ampe'restunden pro Quadratmeter Elektrodenoberfläche, welches die verbesserte Lagerungskapazität von gemäß Fig. 1 aufgebauten Zellen zeigt, wenn eine Komplexbildungsverbindung nach der Erfindung dem Elektrolyten zugesetzt ist,carry over ampere hours per square meter of electrode surface, which the shows improved storage capacity of cells constructed according to FIG. 1, when a complexing compound according to the invention is added to the electrolyte is,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer reFig. 3 is a schematic representation of a re
generativen Brennstoffzelle mit einem Umlaufelektrolyten, in welchem die Komplexbildungsverbindungen nach der Erfindung verwendbar sind, undGenerative fuel cell with a circulating electrolyte in which the complexing compounds can be used according to the invention, and
Fig. 4 eine Ouerschnittansicht einer Batterie,4 is a cross-sectional view of a battery;
in welcher die Komplexbildungsverbindungen nach der Erfindung verwendbar sind.in which the complexing compounds according to the invention can be used.
Zunächst werden einige Ausdrücke erläutert, die in der Beschreibung und in den Ansprüchen benutzt werden. Beispielsweise bedeuten die Ausdrücke "Zinkelektrode" und "Bromelektrode" nicht, daß die Elektroden ausschließlich aus diesen Materialien hergestellt sind. Wie in der Praxis üblich, werden diese Ausdrücke lediglich benutzt, um das elektrochemisch aktive, reagierende Element anzugeben. Die Metall- und Halogenelektroden der Zellen, in de-First , some terms that are used in the description and in the claims will be explained. For example, the terms "zinc electrode" and "bromine electrode" do not mean that the electrodes are made exclusively from these materials. As is customary in practice, these terms are only used to indicate the electrochemically active, reactive element. The metal and halogen electrodes of the cells, in which
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nen die Verbindungen nach der Erfindung benutzt werden, sind elektrochemisch leitend und vorzugsweise porös. Kohlenstoff in seinen verschiedenen Formen ist ein bevorzugtes Material. Der Kohlenstoff der Metallelektrode dient als eine Auftragsfläche für das reaktive Metall.When the compounds of the invention are used, they are electrochemically conductive and are preferred porous. Carbon in its various forms is a preferred material. The carbon of the metal electrode serves as an application surface for the reactive metal.
Weiter, obwohl auf eine Gegenelektrode und eine Metallelektrode Bezug genommen wird, ist klar, daß die Verbindungen nach der Erfindung in Zellen verwendbar sind, welche mehr als ein Elektrodenpaar enthalten, und bei Batterien, die aus zwei oder mehr Zellen in bekannter Weise aufgebaut sind. Da Cadmium dem Zink elektrochemisch ähnlich ist, ist außerdem klar, daß das Zink der Elektrode und des Elektrolyten durch Cadmium ersetzt werden kann. Obgleich in der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen Brom benutzt wird, ist klar, daß es durch Chlor, Jod oder irgendeine Kombination von Brom, Chlor und Jod ersetzt werden kann. Obwohl auf das Zusetzen eines Ätherzusatzes Bezug genommen wird, kann ein kompatibles Gemisch von Ätherzusätzen in jeder Zelle benutzt werden.Further, although reference is made to a counter electrode and a metal electrode, it will be understood that the connections can be used according to the invention in cells which contain more than one pair of electrodes, and in batteries, which are made up of two or more cells in a known manner. Since cadmium is electrochemically similar to zinc is, it is also clear that the zinc of the electrode and the electrolyte can be replaced by cadmium. Although bromine is used throughout the specification and claims, it is clear that chlorine, Iodine or any combination of bromine, chlorine and iodine can be substituted. Although on the addition of an ether additive Referring to it, a compatible mixture of ether supplements can be used in each cell.
Während der Entladung der bekannten Zink-Brom-Zelle ergeben sich folgende Teilreaktionen:The following partial reactions occur during the discharge of the known zinc-bromine cell:
an der Katode Br ~ + 2e~ +- 2Br"at the cathode Br ~ + 2e ~ + - 2Br "
an der Anode Zn° *· Ζηπ + 2eat the anode Zn ° * · Ζη π + 2e
Bei der Aufladung werden die Reaktionen umgekehrt:When charging, the reactions are reversed:
an der Katode 2Br" »· Br9 + 2eat the cathode 2Br "» · Br 9 + 2e
an der Anode Zn + 2e~ ·- Zn°at the anode Zn + 2e ~ · - Zn °
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Das Zitikbromid des Elektrolyten wird somit während des Aufladens verbraucht und während des Entladens erzeugt. Damit die Zelle richtig arbeitet, muß das Br , das offenbar in der Nähe der Katode vorhanden sein muß, wenn die Zelle entladen wird, irgendwo gespeichert werden. Da Br in Wasser löslich ist, welches gelöste Metallhalogenide enthält, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um es daran zu hindern, durch den wässerigen ^lektrolvt^n ?u wandern und direkt mit dem metallischen Zink an der Anode zu reagieren. Dieses Ziel ist erreicht worden, indem ein poröses, leitendes, vorzugsweise aus Kohlenstoff bestehendes Grundmaterial der in der US-PS 3 816 177 beschriebenen Art und eine oder mehrere der Verbindungen in eine ansonsten herkömmliche Halogenzelle eingefügt worden sind. Wenn der Elektrolyt mit dem Äther nach der Erfindung von der porösen Elektrode absorbiert worden ist, wird während der Aufladung erzeugtes Brom durch den Äther komplexiert und daran gehindert, in dem wässerigen Elektrolyten gelöst zu werden.The citric bromide of the electrolyte is thus during the Charge consumed and generated while discharging. For the cell to work properly, the Br, which apparently must be near the cathode when the Cell is discharged, stored somewhere. Since Br in Water, which contains dissolved metal halides, is soluble, precautions must be taken to keep it in mind to prevent wandering through the watery ^ lektrolvt ^ n? u and react directly with the metallic zinc on the anode. This goal has been achieved by using a porous, conductive base material, preferably made of carbon, of those described in US Pat. No. 3,816,177 Type and one or more of the compounds have been incorporated into an otherwise conventional halogen cell. When the electrolyte has been absorbed by the porous electrode with the ether according to the invention, during The bromine generated by the charge is complexed by the ether and prevented from being in the aqueous electrolyte to be solved.
Es ist bekannt, daß Äther mit Halogenen einen Komplex bilden können (vgl. z. B. die ZA-PS 68/8126). Gemäß der Erfindung ist herausgefunden worden, daß einige Äther oder Polyäther ziemlich wirksame Speicher für die oben angegebenen Halogene und insbesondere für Brom in einem elektrochemisch aktiven, aber nichtchemisch aktiven Zustand sind und daß die Leistungsfähigkeit der Halogenzellen und Halogenbatterien beträchtlich verbessert werden kann, wenn solche Verbindungen dem herkömmlichenIt is known that ethers can form a complex with halogens (see, for example, ZA-PS 68/8126). According to the Invention it has been found that some ethers or polyethers are quite effective stores for the above indicated halogens and in particular for bromine in an electrochemically active, but not chemically active state and that the performance of the halogen cells and halogen batteries is considerably improved can if such connections the conventional
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Zink- oder Cadmiumhalogenid-Elektrolyten zugesetzt werden. Zinc or cadmium halide electrolytes can be added.
Die KompLexbildungsverbindungen nach der Erfindung sind Substanzen, welche folgende Strukturformel haben:The complex forming compounds according to the invention are substances which have the following structural formula:
LinearLinear
(R-X-R') Z on(R-X-R ') Z on
2(-R-X-R1-) Z1 η 2 (-RXR 1 -) Z 1 η
) Z(-R-X-R'-) ,Z(-R-X-R·-) η η η··) Z (-RX-R'-), Z (-RXR · -) η η η ··
Z[(-R-X-R'-) Z') , und η m Z [(- RX-R'-) Z '), and η m
Cyc lisch
-X-R'-) Z] Cyclically
-X-R'-) Z]
wobei gilt: R kann gleich R' sein, Z kann gleich Z' sein, R und R1 sind aliphatische Gruppen, die 1 bis 8 Kohlenstoffatome enthalten, n, n1 und n" sind Zahlen von 1 bis 100, m ist eine Zahl von 1 bis 6 und Z und Z1 werden aus einer großen Gruppe von mit Halogen Komplexe bildenden funktionellen chemischen Bestandteilen ausgewählt, die die Kristallisation des Komplexes bei 30 °c verhindern, und X ist ein Sauerstoffatom, H-C-OR" oder R1 "-C-OR11, wobei R" und R1" aliphatische Gruppen sind, die 1 biswhere: R can be equal to R ', Z can be equal to Z', R and R 1 are aliphatic groups containing 1 to 8 carbon atoms, n, n 1 and n "are numbers from 1 to 100, m is a number from 1 to 6 and Z and Z 1 are selected from a large group of halogen complexing functional chemical constituents that prevent crystallization of the complex at 30 ° C, and X is an oxygen atom, HC-OR "or R 1 " - C-OR 11 , where R "and R 1 " are aliphatic groups from 1 to
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6 Kohlenstoffatome enthalten. Darüber hinaus können Z und Z1 so gewählt werden, daß die Menge an in dem Komplex festgehaltenem Halogen vergrößert oder seine chemische Stabilität gesteigert wird. Diese funktionellen Gruppen umfassen, aber ohne darauf beschränkt zu sein: neutrale Gruppen, wie etwa Alkyle, Amide, Carbocyclen, Ester, Halogenkohlenstoffe, Halogenide, Wasserstoff, Hydroxyle, Nitrile, Phosphonatester, Pyridyle, Siloxane, Sulfonatester, Sulfone, Sultone und tertiäre Amine;amphotere Gruppen,wie Amidimidine, Betaine, Phosphobetaine, Sulfobetaine und Aminoxide; mesoionische Gruppen,wie Sydnone; anionische Gruppen,wie Carboxylate, Phosphonate und Sulfonate; kationische Gruppen,wie Ammoniums, Ammoniumhydrohalogenide, Phosphoniums, Pyridiniums, quaternäre Ammoniums, quaternäre O-Alkylhydroxylammoniums und tertiäre Aminhydrohalogenide. Ammonium, Ammoniumhydrohalogenid, Amidimidin, Aminoxid, Betain, Cyan, Ester, Hydroxyl, Phosphobetain, Phosphonium, Pyridinium, Pyridyl,quaternäres Ammonium, quaternäres O-Alky!hydroxylammonium, Sulfobetain, Sulfonium, Sydnon und tertiäres Aminhydrohalogenid sind nicht als Einschränkung zu verstehende Beispiele von funktionellen Bestandteilen, die ein zusätzliches Halogenkomplexbildungsvermögen schaffen.Contains 6 carbon atoms. In addition, Z and Z 1 can be chosen to increase the amount of halogen trapped in the complex or to increase its chemical stability. These functional groups include, but are not limited to: neutral groups such as alkyls, amides, carbocycles, esters, halocarbons, halides, hydrogen, hydroxyls, nitriles, phosphonate esters, pyridyls, siloxanes, sulfonate esters, sulfones, sultones, and tertiary amines; amphoteric groups such as amidimidines, betaines, phosphobetaines, sulfobetaines and amine oxides; mesoionic groups such as sydnones; anionic groups such as carboxylates, phosphonates and sulfonates; cationic groups such as ammonium, ammonium hydrohalide, phosphonium, pyridinium, quaternary ammonium, quaternary O-alkylhydroxylammonium and tertiary amine hydrohalide. Ammonium, ammonium hydrohalide, amididine, amine oxide, betaine, cyano, ester, hydroxyl, phosphobetaine, phosphonium, pyridinium, pyridyl, quaternary ammonium, quaternary O-alkyl, hydroxylammonium, sulfobetaine, sulfonium, sydnone and tertiary amine hydrohalide are not to be understood as limiting examples functional ingredients that create an additional halogen complex formation capacity.
Wenn ein Ätherzusatz mit einer cyclischen Struktur für das Halogenkomplexbildungsmittel gewählt wird, muß der Ring eine ausreichende Asymmetrie aufweisen, um seine betreffenden Halogenkomplexe an einem Kristallisieren bei 30 C zu hindern. Cyclische Äther, wie beispielsweise N-substituierte N-Methy1-morpholiniumbromide, wie dasIf an ether additive having a cyclic structure is selected for the halogen complexing agent, it must be Ring have sufficient asymmetry to contribute to its respective halogen complexes from crystallizing 30 C. Cyclic ethers, such as N-substituted N-Methy1-morpholinium bromides, like that
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Ν,Ν-Ditnethyl-morpholiniumbromid, das in der US-PS 3 816 177 beschrieben ist, bilden kristalline Tribromide mit Schmelzpunkten über 40 C und umfassen deshalb nicht Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wegen der EigenkristallinitMt der Tribromide und der sich ergebenden Viskosität bei Temperaturen unter etwa 50 C sind sie, wenn man sie mit den Komplexen nach der Erfindung vergleicht, um mindestens eine Größenordnung weniger leitend. Das führt zu niedrigen Entladungsgeschwindigkeiten von N-substituierten N-Methyl-morpholiniumtribromiden unter 50 °C. Oberhalb von 40 °C wird die chemische Stabilität der N-substituierten N-Methyl-nxorpholinium-perbromide fraglich, was sich an einer langsamen Bildung von HBr zeigt.Ν, Ν-diethyl morpholinium bromide, which is used in US-PS 3 816 177 is described, form crystalline tribromides with melting points above 40 C and therefore do not include Embodiments of the present invention. Because of the The intrinsic crystallinity of the tribromides and the resulting viscosity are at temperatures below about 50 C. when compared with the complexes according to the invention, they are at least an order of magnitude less conductive. This leads to low discharge rates of N-substituted N-methyl-morpholinium tribromides below 50 ° C. Above 40 ° C, the chemical stability of the N-substituted N-methyl-nxorpholinium-perbromide becomes questionable what is shown by the slow formation of HBr.
Weiter kann Z nicht funktionelle Bestandteile umfassen, die in der Lage sind, mit Brom irreversibel zu reagieren. Diesbezüglich sollte Z nicht irgendein Phenyl oder polycyclische aromatische Gruppen umfassen, insbesondere solche Gruppen, die mit Elektronen liefernden Gruppen substituiert sind, wie etwa Alkyl oder Alkoxy, die die irreversible elektrophile Bromierung von aromatischen Ringen stark steigern. Andere leicht halogenierbare Moleküle, wie etwa Ketone, Olefine, Acetylene und Aldehyde, sind ebenfalls ungeeignet. Demgemäß umfassen die in der oben angegebenen ZA-Patentschrift beschriebenen Polyäther keine Ausführungsformen der Erfindung, da die alkylsubstituierte PhenoRygruppe mit Brom folgendermaßen reagiert:Furthermore, Z can comprise non-functional components which are capable of irreversibly reacting with bromine. In this regard, Z should not include any phenyl or polycyclic aromatic groups, especially those Groups that are substituted with electron donating groups, such as alkyl or alkoxy, which are irreversible Greatly increase electrophilic bromination of aromatic rings. Other easily halogenatable molecules, such as ketones, olefins, acetylenes and aldehydes are also unsuitable. Accordingly, in the above-mentioned ZA patent described polyethers are not embodiments of the invention, since the alkyl-substituted PhenoRygruppe reacts with bromine as follows:
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- Wr-- Wr-
Br +HBrBr + HBr
Äther nach der Erfindung sind, wenn sie in Voltaschen Halogenzellen und Batterien zum Speichern von Brom benutzt werden, vorteilhaft, weil keine weitere Verbindung zugesetzt zu werden braucht, und weil sie, wie weiter unten erläutert ist, mit Halogenen wirksamer Komplexe bilden als das Zwei-Teile-System, das in der US-PS 3 816 177 beschrieben ist, wodurch die Lagerfähigkeit vergrößert und die Selbstentladung der Zellen verringert wird, Da die Äther-Brom-Komplexe der Verbindungen nach der Erfindung unterhalb von 30 C fluid bleiben, können sie bei niedrigen Temperaturen entladen werden.Ether according to the invention are when they are in voltaic ash Halogen cells and batteries are used to store bromine, advantageously because there is no further connection needs to be added, and because it is, as explained below, more effective complexes with halogens form as the two-part system described in US Pat. No. 3,816,177, which increases shelf life and the self-discharge of the cells is reduced, since the ether-bromine complexes of the compounds according to the invention remain fluid below 30 C, they can be discharged at low temperatures.
Der Mechanismus, durch den Halogene mit diesen Äthern vermutlich komplexiert werden, ist in dem unten angegebenen Diagramm (vgl. E. Y. Gorenbein, N.O. Labkovskaya und I.L. Abarbarchuk, Zh. Obshch. Khim. 3^, 1921 (1965); CA 64:6481a (1966) angegeben:The mechanism by which halogens are believed to be complexed with these ethers is as given below Diagram (see E. Y. Gorenbein, N.O. Labkovskaya and I.L. Abarbarchuk, Zh. Obshch. Khim. 3 ^, 1921 (1965); CA 64: 6481a (1966) stated:
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oderor
wobei X das Halogen ist.where X is the halogen.
Wenn somit die Anzahl der Äthergruppen in einer gegebenen Verbindung vergrößert wird, wird die Fähigkeit der Verbindung, Br„, Cl_, I,. oder ein Polyhalogenid festzuhalten, gesteigert. Konkurrierende Wechselwirkungen und sterische Einflüsse beinflussen jedoch die Komplexbildung und in der Praxis ist das Verhältnis der Menge an komplexiertem Halogen zu der Anzahl der vorhandenen Äthergruppen nichtlinear.Thus, if the number of ether groups in a given compound is increased, the ability of the compound, Br ", Cl_, I ,. or to hold a polyhalide, increased. However, competing interactions and steric influences influence the complex formation and in in practice the ratio of the amount of complexed halogen to the number of ether groups present is non-linear.
Verfahren zur synthetischen Herstellung von Verbindungen der oben beschriebenen Art sind allgemein bekannt, vgl. beispielsweise Satkowski und Hsu, Polyoxyethylation of Alcohol, Industrial and Engineering Chemistry, Band 49, S. 1875 (1957). Der in dieser Literaturstelle beschriebene Prozeß kann folgendermaßen zusammengefaßt werden:Processes for the synthetic production of compounds of the type described above are generally known, cf., for example, Satkowski and Hsu, Polyoxyethylation of Alcohol , Industrial and Engineering Chemistry, Volume 49, p. 1875 (1957). The process described in this reference can be summarized as follows:
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Δ ΔΔ Δ
Z-OH — ► Z-OZ-OH - ► Z-O
(KOH) (KOH)(KOH) (KOH)
Δ Z - 0<·^\^ 0*^\^- OH ► 2 - 0*~s^ 0-"N^ OΔ Z - 0 <· ^ \ ^ 0 * ^ \ ^ - OH ► 2 - 0 * ~ s ^ 0- "N ^ O
(KOH)(KOH)
Ein anderes Verfahren zur Herstellung dieser Verbindungen beinhaltet die Funktionallsierung eines Bromäthers oder Brompolyäthers, wie beispielsweise in der US-PS 2 049 463 (1936) beschrieben. Das aus dieser Patentschrift bekannte Verfahren kann folgendermaßen zusammengefaßt werden:Another method of making these compounds involves functionalizing a bromo ether or bromine polyethers as described, for example, in US Pat. No. 2,049,463 (1936). That from this patent specification known methods can be summarized as follows:
Verschiedene bekannte Modifizierungen können eine große Vielfalt der beschriebenen Verbindungsarten ergeben. Eine Alkylierung von im Handel erhältlichen Hydroxyäthylaminen kann vorteilhaft angewandt werden und funktioneile Bestandteile, die in der Lage sind,Halogenkomplexe zu bilden und bei denen es sich nicht um Äthergruppen handelt, können verwendet werden. Eine erfolgreiche Verbindung wurde folgendermaßen hergestellt:Various known modifications can result in a wide variety of the types of connections described. One Alkylation of commercially available hydroxyethylamines can advantageously be used and functional components capable of forming halogen complexes and which are not Ether groups can be used. A successful connection was established as follows:
In einem loO-ml-Rundkolben werden 25 % Trimethylamin in Methanol (35,5'g) umgerührt und auf OC° abgekühlt,25% trimethylamine in Methanol (35.5'g) stirred and cooled to OC °,
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während 2-Bromäthyl-äthyläther (15,3 g) tropfenweise zugesetzt wird. Das Reaktionsgemisch wird auf 25 C erwärmt und über Nacht umgerührt. Das Methanol und das überschüssige Trimethylamin werden bei verringertem Druck entfernt und der feste Rest wird aus Methanol/Aceton auskristallisiert, was 18,4 g (84 %) eines weißen kristallinen Äthers (ECO-2) gemäß folgender Reaktion ergibt: while 2-bromoethyl-ethyl ether (15.3 g) is added dropwise is added. The reaction mixture is warmed to 25 ° C and stirred overnight. The methanol and the excess trimethylamine are removed under reduced pressure removed and the solid residue is crystallized from methanol / acetone, giving 18.4 g (84%) of a white crystalline Ether (ECO-2) results in the following reaction:
Me BrMe Br
CH3CH 0 ^^^ Br + NMe3 fr» CH3CH2O ^ N+ — Me CH 3 CH 0 ^^^ Br + NMe 3 fr »CH 3 CH 2 O ^ N + - Me
MeMe
ECO-2ECO-2
Wasserlösliche dipolare Zusätze, wie etwa Tetramethylensulf on (SuIf ο lan) ,sind bestrebt, das Halogenhalte^ermögen der Äther zu verringern. Wasserunlösliche Zusätze, wie halogenierte Kohlenwasserstoffe (Methylenchlorid) verringern ebenfalls geringfügig das Halogenhaltevermögen der Äther. Water-soluble dipolar additives, such as tetramethylene sulfone (SuIf ο lan), endeavor to reduce the halogen content of the ethers. Water-insoluble additives such as halogenated hydrocarbons (methylene chloride) also slightly reduce the halogen holding capacity of the ethers.
Fig. 1 zeigt eine Zelle 10, welche ein Gehäuse 12, zwei Graphitelektröden 14, 16, eine Graphitfilzmasse 18 und einen porösen,polymeren Scheider 20aufweist. Die Graphitelektrode 14 dient als die Bromelektrode; die Elektrode 16 dient als die Zinkelektrode. Elektrische Zuleitungen (nicht dargestellt) sind mit der Elektrode durch Clips verbunden. Die Elektroden 14, 16 haben eine PorositätFig. 1 shows a cell 10, which has a housing 12, two graphite electrodes 14, 16, a graphite felt mass 18 and a porous polymeric separator 20. The graphite electrode 14 serves as the bromine electrode; electrode 16 serves as the zinc electrode. Electrical supply lines (not shown) are connected to the electrode by clips. The electrodes 14, 16 have a porosity
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von 26 X. Geeigneter Graphitfilz ist im Handel von der Fa. Union Carbide Corporation (VWF-Qualität) erhältlich. Ein geeigneter Scheider wird von der Fa. W. R. Grace, Inc. unter dem Handelsnamen DARAMIC geliefert.of 26X . Suitable graphite felt is commercially available from Union Carbide Corporation (VWF grade). A suitable separator is supplied by WR Grace, Inc. under the trade name DARAMIC.
Fig. 4 zeigt eine bipolare, mehrzellige Batterie 37 der Bauart, bei welcher der Zusatz nach der Erfindung verwendet wird. Sie hat ein wasserdichtes Glasgehäuse 39, welches zwei Graphitplatten-Stromsammler 41, 43 umschließt, Die Platte 43 dient als eine Metallelektrode. Zwischen den Stromsammlern 41, 43 ist eine Anordnung von Graphitfilzmassen 45 vorgesehen, welche als Gegenelektroden dienen. Ein poröser polymerer Trennstoff 47 (Deramic, ungefähr 3,1 mm dick) und eine bipolare Elektrode 49 (leitender Polymerfilm, der von der Fa. Conductive Polymer Corporation, Marblehead, Massachusetts, hergestellt wird und eine Dicke von etwa 0,5 mm hat) sind ihrerseits zwischen einer Graphitfilzmasse 45 angeordnet. Die Anzahl der Zellen der Batterie kann selbstverständlich nach Bedarf vergrößert oder verringert werden.Fig. 4 shows a bipolar, multi-cell battery 37 of the type in which the additive according to the invention is used. It has a waterproof glass case 39, which encloses two graphite plate current collectors 41, 43, The plate 43 serves as a metal electrode. Between the current collectors 41, 43 an arrangement of graphite felt masses 45 is provided, which serve as counter electrodes. A porous polymeric release liner 47 (Deramic, approximately 3.1 mm thick) and a bipolar electrode 49 (conductive polymer film made by Conductive Polymer Corporation, Marblehead, Massachusetts and has a thickness of about 0.5 mm) are in turn arranged between a graphite felt mass 45. The number the cells of the battery can of course be increased or decreased as needed.
Der Elektrolyt des oben beschriebenen elektrochemischen Systems, der in den Filzmassen enthalten ist, umfaßt wässerige Lösungen von anorganischen Salzen, wie etwa Zinkhalogenid oder Cadmiumhalogenid, bis zu 50 % von einer oder mehreren der oben beschriebenen Verbindungen und kann 0 bis 30 % von einer oder mehreren verschieden, bekannten Zusätzen zur Verbesserung des Auftragens enthalten.The electrolyte of the electrochemical system described above, which is contained in the felt masses, comprises aqueous solutions of inorganic salts, such as zinc halide or cadmium halide, up to 50% of one or more of the compounds described above and can be 0 to 30 % of one or more contain various, known additives to improve application.
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Zur Veranschaulichung der Wirkung der Verbindungen nach der Erfindung wurde eine Zelle mit einem stationären Elektrolyten,wie sie oben beschrieben ist, solange geladen, bis mehr als 80 % des anfangs in Lösung vorhandenen Zinkhalogenide in Zink und Halogen umgewandelt waren. Die Ladestromdichten lagen typischerweiseTo illustrate the effect of the compounds According to the invention, a cell was charged with a stationary electrolyte as described above until more than 80% of the initial amount was in solution existing zinc halides were converted to zinc and halogen. The charging current densities were typically
2 in einem Bereich von etwa 53,8 bis etwa 269,1 A/m .2 in a range from about 53.8 to about 269.1 A / m.
Alle Zellen wurden bei konstanter Stromentnahme für verschiedene Stromdichten getestet.All cells were tested with constant current draw for various current densities.
Daten, die diese Tests ergaben, sind in Fig. 2 zusammengefaßt. Die Kurven ergaben sich durch Messen der Stromabgabe in Amperestunden bei verschiedenen Spannungen für Zellen mit einem stationären Elektrolyten, die in der oben beschriebenen Weise geladen worden waren. Für die mit A bezeichnete Kurve bestand der Elektrolyt aus 0,4M ZnBr ~ und 0,2M ZnSO, in Wasser. Für die Kurve B bestand der Elektrolyt aus 0,4M ZnBr2, 0,2M ZnSO, und 7 Vol.-% BL-330, einem aliphatischen Polyäther, der von der Fa. GAF Corporation vertrieben wird. Der Elektrolyt der Kurve C bestand aus 0,4M ZnBr2, 0,2M ZnSO, und 0,4M (CH3) NBr in dem Volumenverhältnis 9:1 von Wasser zu Propylencarbonat. Der Elektrolyt der Kurve D bestand aus 0,4M ZnBr2, 0,2M ZnSO4 und 5 Vol.-% NN'-bis-Äthoxyäthylen-N^jN'jN'-tetramethyl-2,2-bis-ähtylenoxydiammoniumdibromid (ECO-3). Diese Kurven zeigen, daß eine beträchtlich größere Anzahl von Amporestünden bei einer Zelle erzielbar ist, deren Elektrolyt eine Ätherverbindung nach der Erfindung enthält, und daß die Ätherverbindungen, wenn sie dem Elektro-Data obtained from these tests are summarized in FIG. The curves were obtained by measuring the current output in ampere-hours at various voltages for cells with a stationary electrolyte which had been charged in the manner described above. For the curve labeled A, the electrolyte consisted of 0.4M ZnBr ~ and 0.2M ZnSO in water. For curve B, the electrolyte consisted of 0.4M ZnBr 2 , 0.2M ZnSO, and 7% by volume BL-330, an aliphatic polyether sold by GAF Corporation. The electrolyte of curve C consisted of 0.4M ZnBr 2 , 0.2M ZnSO, and 0.4M (CH 3 ) NBr in a volume ratio of 9: 1 of water to propylene carbonate. The electrolyte of curve D consisted of 0.4M ZnBr 2 , 0.2M ZnSO 4 and 5% by volume of NN'-bis-ethoxyethylene-N ^ jN'jN'-tetramethyl-2,2-bis-ethyleneoxydiammonium dibromide (ECO- 3). These curves show that a considerably larger number of ampere hours can be achieved in a cell whose electrolyte contains an ether compound according to the invention, and that the ether compounds, if they are added to the electro-
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lyten zugesetzt sind, mit oder ohne weitere Halogenkomplexe bildende Substanzen, die Zellenkapazität vergrößern.lytes are added, with or without other halogen complex-forming substances that increase cell capacity.
Fig. 3 zeigt eine Zelle 21, in welcher ein Umlaufelektrolyt benutzt wird, der einen Halogenkomplexe bildenden Zusatz nach der Erfindung enthält. Die Zelle 21 hat ein Gehäuse 22, zwei Graphitelektroden 23, 24, eine Graphitfilzmasse 25 und einen porösen, polymeren Scheider 26. Die Anordnung zum Speichern des Halogenkomplexes 27 und zum Bereitstellen von frischem Elektrolyten enthält eine Pumpe 28, einen Elektrolyttank 29, einen Halogenkomplextank 30 und zwei Hähne 31 und 32 zum Speichern und Freigeben des Halogenkomplexes 27. Während des Aufladens über an den Elektroden 23 und 24 befestigte Klemmen (nicht dargestellt) wird der Halogenkomplex 27 in dem Filz 25 aus entweder einen wasserlöslichen oder einem wasserunlöslichen Ätherzusatz nach der Erfindung gebildet, d. h. freigesetztes Br _ vereinigt sich in der oben angegebenen Weise zu einem Br_-Ätherkomplex. Der sich ergebende unlösliche Halogenkomplex 27 wird in den Tank gepumpt, wo er durch öffnen des Hahns 31 zurück in den Filz 25 abgelassen werden kann, um während der Entladung verbraucht zu werden. Das Metall wird während des Aufladens auf die Elektrode 23 aufgetragen, wobei die Qualität des Auftrages und die Auftragskenndaten u. a. von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig sind. Wenn ein wasserunlöslicher Ätherzusatz 33 verwendet wird, können ein Lagertank 34 und zwei Hähne 35 und 36 zum Lagern undFig. 3 shows a cell 21 in which a circulating electrolyte is used which contains a halogen complex-forming additive according to the invention. Cell 21 has a housing 22, two graphite electrodes 23, 24, a graphite felt compound 25 and a porous, polymeric separator 26. The arrangement for storing the halogen complex 27 and for providing fresh electrolyte contains a pump 28, an electrolyte tank 29, a halogen complex tank 30 and two taps 31 and 32 for storage and releasing the halogen complex 27. During charging via clamps (not shown) attached to the electrodes 23 and 24, the halogen complex 27 in the Felt 25 formed from either a water soluble or a water insoluble ether additive in accordance with the invention; H. released Br _ unites in the above given way to a Br_-ether complex. The resulting insoluble halogen complex 27 is added to the tank pumped, where it can be drained back into the felt 25 by opening the tap 31 to during the unloading to be consumed. The metal is applied to the electrode 23 during charging, the quality of the application and the application characteristics, inter alia. from the flow velocity are dependent. If a water-insoluble ether additive 33 is used, can a storage tank 34 and two taps 35 and 36 for storage and
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Abgeben des Ätherzusatzes 33 vorhanden sein. Der Elektrolyt der Zelle umfaßt anorganische Salze, wie etwa Zinkhalogenid oder Cadmiumhalogenid, bis zu 50 % von einer oder mehreren der Verbindungen nach der Erfindung und kann 0 bis 30 % von einem oder mehreren bekannten Zusätzen zur Verbesserung der Auftrags- und Überzugskenngrößen enthalten. Es ist zu erkennen, daß der Komplex 27 benutzt werden kann, um Zellen zu betreiben, bei denen es sich nicht um die in Fig. 3 dargestellten handelt. Beispielsweise sind die Komplexe, außer in Zink- und Cadmiumzellen, in anderen Zellen von Nutzen, in denen Halogen benutzt wird und die beispielsweise Titan, Chrom oder Wasserstoff als eine Anode haben können.Release of the ether additive 33 must be present. The electrolyte of the cell includes inorganic salts such as Zinc halide or cadmium halide, up to 50% of one or more of the compounds according to the invention and can contain 0 to 30% of one or more known additives to improve the application and coating parameters. It can be seen that complex 27 is being used can be used to operate cells other than those shown in FIG. For example are the complexes, except in zinc and cadmium cells, in other cells are useful in which halogen is used and which, for example, titanium, chromium or hydrogen as can have an anode.
Zur Veranschaulichung der Wirkung der Verbindungen nach der Erfindung wurde eine Zelle mit einem Umlaufelektrolyten der oben beschriebenen Art, ECO-I (vgl. die unten angegebene Strukturformel) mit Stromdichten in einem BereichTo illustrate the effect of the compounds according to the invention, a cell with a circulating electrolyte was used of the type described above, ECO-I (cf. the structural formula given below) with current densities in one range
ο
von 107,6 bis 645,8 A/m für Zeitspannen von 1 bis 3h aufgeladen. Die Zelle wurde bei einer konstanten Stromentnahme
für verschiedene Stromdichten getestet und es zeigte sich, daß sie einen Coulomb-Wirkungsgrad von 50
bis 80 % und einen Energiewirkungsgrad von 40 bis 60 % hatte. Ohne einen Ätherzusatz nach der Erfindung wird
kein Halogenkomplex 27 gebildet und das Brom, das sich in dem Elektrolyten löst, reagiert mit der Zinkplatte auf
der Elektrode 23, was zu einem Coulomb- und Energiewirkungsgrad von weniger als 5 % führt.ο
charged from 107.6 to 645.8 A / m for periods of 1 to 3 hours. The cell was tested at a constant current draw for various current densities and was found to have a coulombic efficiency of 50 to 80% and an energy efficiency of 40 to 60%. Without an ether additive according to the invention, no halogen complex 27 is formed and the bromine which dissolves in the electrolyte reacts with the zinc plate on the electrode 23, which leads to a coulomb and energy efficiency of less than 5%.
Die folgende Tabelle zeigt, daß die Halogenkomplexbildu^s-The following table shows that the halogen complex formation
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- Vi -- Vi -
eigenschaft für einen repräsentativen Querschnitt der Klasse von Verbindungen nach der Erfindung gilt. Die Daten in dieser Tabelle wurden erhalten, indem die angegebene Menge an Brom in zwei Kolben gemischt wurde, wobei der erste Kolben 5 ml 2M ZnBr2 und der zweite Kolben 5 ml 4M ZnBr2 enthielt. Die Verteilung des Bromkomplexes und der wässerigen Phase wurde durch starkes Rühren für 1/2 h bei 25 °C erreicht. Es hat sich gezeigt, daß ein 18 h währendes Rühren unter diesen Bedingungen gleiche Ergebnisse erbrachte. Der Bromkomplex und die wässerigen Phasen wurden dann durch Zentrifugieren getrennt und die wässerige Phase wurde auf Brom hin titriert. property applies to a representative cross section of the class of compounds according to the invention. The data in this table was obtained by mixing the indicated amount of bromine in two flasks, the first flask containing 5 ml of 2M ZnBr 2 and the second flask containing 5 ml of 4M ZnBr 2. The distribution of the bromine complex and the aqueous phase was achieved by vigorous stirring for 1/2 hour at 25 ° C. It has been shown that stirring for 18 hours under these conditions gave the same results. The bromine complex and the aqueous phases were then separated by centrifugation and the aqueous phase was titrated for bromine.
Aus der Tabelle geht hervor, daß die Ätherverbindungen nach der Erfindung (Beispiele 3 und 6-12) einen größeren Prozentsatz des verfügbaren Broms als Flüssigkeiten koraplexieren als entweder ein quateraäres Ammoiumsalz von Beispiel 1 oder das System aus quaternärem Ammoiumsalz und protonenfreiem Dipol (Sulfolan) der Beispiele 2 und 5.The table shows that the ether compounds according to the invention (Examples 3 and 6-12) have a larger Percentage of bromine available as liquids coraplex as either a quaternary ammonium salt of Example 1 or the system of quaternary ammonium salt and proton-free dipole (sulfolane) of Examples 2 and 5.
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77116947711694
Sulfolane (400 mg)2) QtnBr * (3.28 mM)
Sulfolane (400 mg)
GAF BL-330(400 mg)3) QmBr * (3.28 mM)
GAF BL-330 (400 mg)
Suifulane(400 mg)5) QmBr * (3.28 (nM)
Suifulane (400 mg)
Sulfolane(400 mg)7) ECO-I (3.28 inM)
Sulfolane (400 mg)
9,849.84
9.84
7%14%
7%
5%12%
5%
Sulfoiane(400 u\g)
10) ECO-3 (3,28 mM)9) ECO-2 (3.28 uM)
Sulfoians (400 u \ g)
10) ECO-3 (3.28 mM)
Sulfolane(400 mg)ti) ECO-3 (3.28 mM)
Sulfolane (400 mg)
*QmBr ist Phenyltrimethylammonlumbromid Sulfolan 1st Tetramethylensulfon GAF BL-330 ist ein aliphatischer Polyäther der Fa. GAF* QmBr is phenyltrimethylammonium bromide sulfolane 1st tetramethylene sulfone GAF BL-330 is an aliphatic polyether from GAF
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. ar. ar
+Die quaternäre Airanoniumpolybromidphase war kristallin+ The quaternary airanonium polybromide phase was crystalline
ECO-L istECO-L is ECO-2 1stECO-2 1st
BrBr
BrBr
ECO-J lsiECO-J lsi ECO-4 istECO-4 is
BcBc
2Br2Br
ECO-1 Äthoxyäthylen-N,N*d imethy1-N-ä thylammoniumbromid ECO-2 Äthoxyäthylen-N,N,N-trimethylammoniumbromidECO-1 Ethoxyethylene-N, N * d imethy1-N-ethylammonium bromide ECO-2 ethoxyethylene-N, N, N-trimethylammonium bromide
ECO-3 N,Nl-bis-Äthoxyäthylen-N,N,N'tNl-tetramethyl-2,2-bisäthylenoxydiammonlumdibromidECO-3 N, N l -bis-ethoxyethylene-N, N, N ' t N l -tetramethyl-2,2-bisäthylenoxydiammonlumdibromid
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Claims (23)
6 bis 13, bei welchen ein Halogen benutzt wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Chlor, Brom, Jod, Polyhalogenkomplexen und Gemischen derselben besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Komplex im wesentlichen aus einer Substanz besteht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Chlor, Brom, Jod, Polyhalogenkomplexen und Gemischen derselben besteht, kombiniert mit einem Äther, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Verbindungen mit folgender Formel besteht :14. Water-insoluble, liquid complex which is essentially insoluble in water at 30 C for use in the electrochemical cells according to one of the claims
6 to 13, in which e used i n halogen, which is selected from the group, bromine, iodine, Polyhalogenkomplexen and mixtures of chlorine thereof, characterized in that the complex consists essentially of a substance from the Is selected from the group consisting of chlorine, bromine, iodine, polyhalogen complexes, and mixtures thereof, combined with an ether selected from the group consisting of compounds having the following formula:
sein, R und R' sind aliphatische Gruppen, die 1 bis
8 Kohlenstoffatome enthalten, n, n' und n" sind Zahlen von 1 bis 100, m ist eine Zahl von 1 bis 6, Z und Z'
sind chemische Gruppen, die den Halogenkomplex des Zusatzes bei 30 C nicht kristallin machen und die 7ii
einer wesentlichen irreversiblen Vereinigung mit Brom, Chlor oder Jod nicht in der Lage sind, und X wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus einem Sauerstoffatom,
H-C-OR", R1^-C-OR" und Kombinationen derselben besteht, wobei R" und R'11 aliphatische Gruppen sind, die 1 bis Kohlenstoffatome enthalten.where: R can be equal to R ', Z can be equal to Z 1
be, R and R 'are aliphatic groups from 1 to
Contains 8 carbon atoms, n, n 'and n "are numbers from 1 to 100, m is a number from 1 to 6, Z and Z'
are chemical groups that make the halogen complex of the additive not crystalline at 30 C and the 7ii
are incapable of substantially irreversible association with bromine, chlorine or iodine, and X is selected from the group consisting of an oxygen atom,
HC-OR ", R 1 ^ -C-OR" and combinations thereof, where R "and R '11 are aliphatic groups containing 1 to 1 carbon atoms.
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CA1129945A (en) * | 1977-09-30 | 1982-08-17 | Henry F. Gibbard | Complexing agents for zinc bromine storage systems |
US4162351A (en) * | 1977-10-12 | 1979-07-24 | Electric Power Research Institute, Inc. | Metal-halogen cell operation with storage of halogen via organic complexation external to the electrochemical cell |
US4147840A (en) * | 1978-03-24 | 1979-04-03 | Eco-Control, Inc. | Halogen complexing homotetra-alkyl salts for use in halogen cells |
US4245011A (en) * | 1978-07-27 | 1981-01-13 | Compagnie Generale Des Etablissements Michelin | Chemical and electrochemical devices |
US4631240A (en) * | 1978-12-13 | 1986-12-23 | Tracer Technologies, Inc. | Electrochemical cell |
US4592971A (en) * | 1978-12-13 | 1986-06-03 | Tracer Technologies, Inc. | Metal halogen electrochemical cell |
US4761355A (en) * | 1980-11-24 | 1988-08-02 | Medtronic, Inc. | Electrochemical cells and cathode materials |
JPH0624122B2 (en) * | 1980-11-24 | 1994-03-30 | メドトロニツク・インコ−ポレ−テツド | Electrochemical cell |
US4418128A (en) * | 1982-03-25 | 1983-11-29 | Meidensha Electric Mfg. Co., Ltd. | Metal-bromine secondary battery |
EP0091520B1 (en) * | 1982-04-14 | 1986-12-10 | Kabushiki Kaisha Meidensha | Electrolytes circulation type metal-halogen secondary battery |
US4452868A (en) * | 1982-12-29 | 1984-06-05 | Gould Inc. | Metal-chlorine cell with storage of chlorine |
JPH02142071A (en) * | 1988-11-24 | 1990-05-31 | Meidensha Corp | Electrolyte of zinc-bromine cell |
FR2674687B1 (en) * | 1991-03-26 | 1997-01-03 | Alsthom Cge Alcatel | LITHIUM / BROMINE TRIFLUORIDE ELECTROCHEMICAL GENERATOR. |
US5422197A (en) * | 1992-10-14 | 1995-06-06 | National Power Plc | Electrochemical energy storage and power delivery process utilizing iron-sulfur couple |
US5439757A (en) * | 1992-10-14 | 1995-08-08 | National Power Plc | Electrochemical energy storage and/or power delivery cell with pH control |
US5496659A (en) * | 1992-10-14 | 1996-03-05 | National Power Plc | Electrochemical apparatus for energy storage and/or power delivery comprising multi-compartment cells |
US5545492A (en) * | 1992-10-14 | 1996-08-13 | National Power Plc | Electrochemical apparatus for power delivery utilizing an air electrode |
EP1380569B1 (en) * | 2001-03-26 | 2013-02-20 | Nisshinbo Industries, Inc. | Ionic liquid of dimethylethyl(methoxyethyl)ammonium for an electric double layer capacitor and a secondary battery |
KR101851376B1 (en) * | 2016-02-02 | 2018-05-31 | 롯데케미칼 주식회사 | Electrolyte for redox flow battery and redox flow battery |
CA2957877A1 (en) * | 2017-01-20 | 2018-07-20 | Albemarle Corporation | Quaternary ammonium halides with ether functional groups for use as battery electrolytes |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3811945A (en) * | 1972-08-24 | 1974-05-21 | Consiglio Nazionale Ricerche | Electric battery |
US3816177A (en) * | 1972-11-17 | 1974-06-11 | Eco Control | Secondary cells and batteries |
-
1976
- 1976-03-17 US US05/667,685 patent/US4038460A/en not_active Expired - Lifetime
-
1977
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US4038460A (en) | 1977-07-26 |
GB1551873A (en) | 1979-09-05 |
JPS52114927A (en) | 1977-09-27 |
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